1、建筑结构抗震设计 Seismic design of buildings,主讲：张美霞 中国地质大学（武汉）工程学院土木系,第4章 建筑抗震概念设计,4.1 场地选择 4.2 建筑的平立面布置 4.3 结构选型与结构布置 4.4 多道抗震防线 4.5 刚度、承载力和延性的匹配 4.6 确保结构的整体性 4.7 非结构部件处理,基本概念,1、计算设计（Numerical design）：按荷载计算、内力分析及组合、强度计算 、构造措施等称为计算设计。 “计算设计”不能完全依赖！ 地震方面地震是一种随机振动，具有复杂 性、不确定性，因此很难准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数。地震在时间和空间上都
2、具有很大的随机性。 结构分析未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，也存在不准确性。,基本概念续,2、概念设计（Conceptual design） ：立足于工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念的抗震设计。 即根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想正确地解决建筑和结构的总体方案、结构布置、材料使用和细部构造等，以便达到合理抗震设计的目的。 有助于掌握明确的设计思想，灵活、恰当地运用抗震设计原则，是设计人员不知陷入盲目的计算工作，从而做到比较合理的抗震设计。 抗震概念设计是目前工程设计高度自动化的背景下唯一具有能动性和创造性的设计
3、过程。,基本概念续,抗震概念设计的思路： 在工程设计一开始，把握好能量输入、房屋体型、结构 体系、刚度分布、构件延性等几个主要方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节。 辅以必要的计算和构造措施，有可能使房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。 由于对地震作用及结构性能的了解还远远不够，在某种 意义上，概念设计比计算设计更重要。,4.1 场地选择,不同的场地上的建筑震害不同在建筑选址时，要尽量选 择对建筑抗震有利的地段，避开不利和危险地段。 1、避开地震危险地段 1）概念 建筑抗震危险的地段：指地震时可能发生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段以及震中烈度为8度以上的发震断裂带在地震时可能
4、发生地表错位的地段。 非发震断层：与当地的地震活动性没有成因上联系的一般断层，在地震作用下一般不会发生新的错动。 发震断层：具有潜在地震活动的断层，在过去三万五千年以内曾活动过一次，或者在五万年内活动过两次的断层。,4.1 场地选择续,2、选择有利于抗震的场地 1）概念 对建筑抗震有利的地段：指位于开阔平坦地的坚硬场地上或密实均匀中硬场地土。 对建筑抗震不利的地段：就地形而言，一般是指条状突出的山嘴，孤立的山包和山梁的顶部，高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡， 河岸和边坡的边缘；就场地土质而言，一般是指软弱土、易液化土，故河道、断层破碎带、暗埋塘滨沟谷或半挖半填地基等，以及在平面分布上成因、岩性
5、、状态明显不均匀的地段。,4.1 场地选择续,2）关于地基基础设计，抗震规范有如下规定： 1、避开危险地带（如断裂带等）； 2、同一结构单元的基础不宜设置在性质截然 不同的地基上；无法避开时，除考虑不同土 层差异运动的影响外，还应采用局部深基础， 使整个建筑物的基础落在同一上层上（图） 3、同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基；（可设沉降缝，成为两个单元） 4、地基为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀时，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取相应措施，基础应加强其整体性和刚性。,4.2 建筑的平立面布置,一幢房屋的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结 构布置。建筑布局简
6、单合理，结构布置符合抗震原则， 就能从根本上保证房屋具有良好的耐震性能。 抗震规范3.4.1条规定：建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。 3.4.2条规定：建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减少，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。,4.2.1 建筑平面布置,1、建筑平面形状 1）建筑物的平、立面布置宜规则、对称，质量和刚度变化均匀，避免楼层错层； 2）地震区的高层建筑，平面以方形、矩形、圆形为好；正六边形、正八边形、椭圆形、扇形也可
7、以。 3）有较长翼缘的L形、T形、十字形、U形、H形、Y形平面也不宜采用。这些平面的较长翼缘，地震时容易因发生差异侧移而加重震害。,4.2.1 建筑平面布置续,2、平面不规则的类型： 规范3.4.2规定： 1）扭转不规则：楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍。 2）凹凸不规则：结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%。 3）楼板局部不连续：楼板的尺寸和平面刚度急剧变化。例如：开洞面积大于该楼层面积的30%，或较大的楼层错层，或有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%。,4.2.1 建筑平面布置续,3、高层建筑平面尺寸限值 高
8、层规程对地震区高层建筑的平面形状作了明确规定，如下图和表，并提出对这些平面的凹角处，应采取加强措施。,4.2.2 建筑立面布置,1、建筑立面形状 地震区高层建筑的立面应采用矩形、梯形、三角形等均 匀变化的几何形状，尽量避免带有突然变化的阶梯形立面。 因为立面形状的突然变化，会引起质量和抗侧移刚度突变， 地震时容易因剧烈振动或塑性变形集中（薄弱层）而加重 破坏。,4.2.2 建筑立面布置续,2、竖向不规则的类型 1）侧向刚度不规则：该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%。 2）竖向抗侧力构件不连续：
9、竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架）向下传递。 3）楼层承载力突变：抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%。,4.2.2 建筑立面布置续,3、高层建筑立面尺寸限值 高层规程规定：建筑的竖向体形宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。并要求抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70或其上相邻三层侧向刚度平均值的80。 按高层规程，高层建筑的高度限值分A、B两级，A级规定较严，是目前应用最广泛的高层建筑高度，B级规定较宽，但应采取更严格的计算和构造措施
10、。 楼层层间抗侧力结构的受剪承载能力： A级高度：宜上一层的80%，应上一层的65% ；B级高度：应上一层的75%。,4.2.2 建筑立面布置续,收进和外挑尺寸要求（宜）： 当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的0.75倍； 当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸B1的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。,4.2.3 房屋的高度,一般而言，房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩愈大，破坏的可能性也愈大。 但“房屋愈高愈危险”的概念不是绝对的，是有条件的。于1956
11、年建造的高181m的42层拉丁美洲大厦，经受住了3次大地震的考验，几乎无损坏。 抗震规范和高层规程，根据我国当前科研成果和工程实际情况，对各种结构体系适用范围内建筑物的最大高度均作出了规定。超出该规定的，要进行专门研究。抗震规范尚规定：对不规则结构、有框支层抗震墙结构或类场地上的结构，适用的最大高度应适当降低。,4.2.4 房屋的高宽比,建筑物的高宽比例，比起其绝对高度来说更为重要。因为建筑物的高宽比值愈大，即建筑愈瘦高，地震作用下的侧移愈大，地震引起的倾覆作用愈严重。巨大的倾覆力矩在柱(墙)和基础中所引起的压力和拉力比较难于处理。 我国对房屋高宽比的要求是按结构体系和地震烈度区分的。,4.2
12、.5 防震缝的合理设置,遇到下列情况，应设置防震缝： 平面形状、局部尺寸或者立面形状不符合规范的有关规定，而又未在计算和构造上采取相应措施时； 房屋长度超过规范规定的伸缩缝最大间距，又无条件采取特殊措施而必需设置伸缩缝时； 地基土质不均匀，房屋各部分的预计沉降（包括地震时的沉陷）相差过大，必须设置沉降缝时； 房屋各部分的质量或结构抗侧移刚度大小悬殊时。,4.2.5 防震缝的合理设置,1、防震缝设置原因 由于建筑平面和体型的多样化、结构的不规则性有时难以避免，为将不规则结构变为若干规则结构，合理地设置防震缝进行结构分段，从而降低抗震设计的难度及提高抗震设计的可靠度。 在国内外历次地震中，曾一再发
13、生相邻建筑物或同幢建筑物相邻单元之间相撞的震例，究其原因，主要是防震缝宽度偏小或构造不当所致。 2、防震缝设置原则 彻底分离或者牢固连接：忌连又连不牢、分又分不清。 “三缝合一”的设置原则：伸缩缝、沉降缝、防震缝三缝合一，对于抗震设防烈度为6度以上的房屋，所有伸缩缝、 沉降缝均应符合防震缝的宽度要求。,4.2.5 防震缝的合理设置续,3、 必须设置抗震缝的情况 平面形状、局部尺寸或者立面形状不符合规范的有关规定，而又未在计算和构造上采取相应措施时； 房屋长度超过规范规定的伸缩缝最大间距，又无条件采取特殊措施而必需设置伸缩缝时； 地基土质不均匀，房屋各部分的预计沉降（包括地震时的沉陷）相差过大，
14、必须设置沉降缝时； 房屋各部分的质量或结构抗侧移刚度大小悬殊时。 4、防震缝宽度 缝宽不足会发生碰撞破坏； 由于设缝后造成部分结构段过柔，碰撞造成失稳破坏。 必须根据具体情况认真处理设缝位置及设缝宽度。 确定防震缝宽度，除考虑结构变形外，还应考虑由于地基变形引起基础转动的影响。,4.2.5 防震缝的合理设置续,5、防震缝最小宽度良好地基条件下一般结构的最小缝宽。 为防止相邻建筑物在地震中发生碰撞，防震缝的宽度不宜小于两侧建筑物在较低建筑物屋顶高度处的垂直防震缝方向的侧移之和。 对于钢筋混凝土结构房屋的防震缝最小宽度，一般情况下应符合抗震规范所作的规定： 框架房屋，当高度不超过l5m时，可采用7
15、0mm；当高度超过l5m时，6度、7度、8度和9度相应每增高5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm； 框架抗震墙房屋的防震缝宽度，可采用第条数值的70，抗震墙房屋可采用第条数值的50，且均不宜小于70mm。,4.2.5 防震缝的合理设置续,防震缝两侧结构类型不同时，宜按需要较宽防震缝的结 构类型和较低房屋高度确定缝宽。 例1：某高层建筑为框架剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，高45米，其群房为框架结构，高20米，主楼和群房间设防震缝，其最小缝宽应为多少？ 解：防震缝最小宽度应根据群房框架结构极其高度确定：,例2：6度地区、框架结构、建筑高度35m，若需设防震缝，其缝宽应为多少？若高为35m剪力墙
16、结构，其缝宽？,4.2.5 防震缝的合理设置续,4.2.5 防震缝的合理设置续,6、一般尽可能不设置抗震缝 满足规定的防震缝宽度在强烈地震作用下由于地面运动变化，结构扭转、 地基变形等复杂因素，相邻结构仍可能局部碰撞而损坏； 防震缝宽度过大，建筑立面效果、防水处理较难； 设置不当反倒会引起相邻建筑物碰撞、失稳、加大破坏。,4.2.5 防震缝的合理设置续,7、不设置抗震缝处理办法高层建筑宜选用合理的建筑结构方案，不设抗震缝，但要做到： 采取措施避免设置防震缝调整平面形状和尺 寸、并在构造以及设计、施工时采取措施。 不规则房屋不设防震缝时必须沿高度和从平面上 考虑相对薄弱及应力集中部位的加强及提高
17、延性 措施，在这些部位应尽量避免设置楼梯间及在楼 板上开较大洞口。 对体型复杂的建筑物不设抗震缝时，应对建筑物进行比 较精确的结构抗震分析，解决不设缝带来的不利影响， 如差异沉降、偏心扭转、温度变形等，估计其局部应力 和变形集中及扭转效应影响，判明其易损部位，采取加 强措施或提高变形能力的措施。,4.3 结构选型与结构布置 4.3.1 结构选型,结构选型涉及的内容较多，应根据建筑的重要性、设防 烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素， 通过技术、经济条件比较综合确定。 1、结构材料的选择 单从抗震角度考虑，作为一种好的结构形式，应具备下列性能： 延性系数高； “强度重力”比值大；
18、匀质性好； 正交各向同性； 构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能发挥材料的全部强度。,4.3.1 结构选型续,建筑结构类型，依其抗震性能优劣而排列的顺序是： 钢结构； 型钢混凝土结构； 混凝土钢混合结构； 现浇钢筋混凝土结构； 预应力混凝土结构； 装配式钢筋混凝土结构； 配筋砌体结构； 砌体结构等。,4.3.1 结构选型续,2、抗震结构体系的确定 抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题，结构方案 的选取是否合理，对安全性和经济性起决定性作用。 抗震规范关于抗震结构体系，有下列要求： 应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径； 宜有多道抗震防线，应避免因部分结构或构件破坏而导致整个
19、体系丧失抗震能力或对重力的承载能力； 应具备必要的强度，良好的变形能力和耗能能力； 宜具有合理的刚度和强度分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中；对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。,4.3.1 结构选型续,3. 在设计房屋之前，一般应首先了解场地和地基上及其卓越周期，调整结构刚度，避开共振周期。 4. 选择结构体系时，要注意选择合理的基础形式。 对于软弱地基宜选用桩基、筏片基础或箱形基础。 岩层高低起伏不均匀或有液化土层时最好采用桩基等。,4.3.2 结构布置的一般原则,1、平面布置力求对称（质量、刚度、强度） 对称结构在地面平动作用下，水平地震力
20、按构件刚度分配，因而各构件受力比较均匀。而非对称结构，由于刚心偏在一边，质心与刚心不重合，远离刚心的刚度较小构件 ，由于侧移量很大，所分担的水平地震剪力也显著增大，甚至导致整个结构因一侧构件失效而倒塌。,4.3.2 结构布置的一般原则续,最为典型的例子是1972年2月23日南美洲的马那瓜地震。 马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为十五层高的中央银行大厦，平面不规则，4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙，破坏严重，震后拆除；另一幢为18层高的美洲银行大厦，结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的筒体，对称地由连梁连接起来，轻微损坏，稍加修理便恢复使用。当地地震烈度估计为8度。,4.3.
21、2 结构布置的一般原则续,当建筑层数很多时，上面各层偏心引起的扭转效应对下层的积累，对下面几层更不利。所以，进行结构布置时，除了要求各向对称外，还希望能具有较大的抗扭刚度。因此，下图 （a）、（b）所示的抗震墙沿房屋周边布置的方案，就优于（c）、（d）所示在房屋内部布置的方案。,4.3.2 结构布置的一般原则续,2、竖向布置力求均匀 结构竖向布置的关键在于：尽可能使其竖向刚度、强度变化均匀，避免出现薄弱层，并应尽可能降低房屋的重心。 注意上刚下柔的结构的处理 由于商业的需要，结构底部几层往往需要设置大空间，上部各层为全墙体系或框架一抗震墙体系，而底层或底部两三层则为框架体系，整个结构属“框托墙
22、”体系。这便是工程上称之为“框支剪力墙”或“底部框架”的结构。这种体系很不利于抗震，应保证下部结构的抗侧刚度不能小于上部抗侧刚度的一定比例。,4.3.2 结构布置的一般原则续,同一楼层的框架柱，应该具有大致相同的刚度、强度和延性，否则，地震时很容易因受力大小悬殊而被各个击破。 在采用纯框架结构的高层建筑中，如果将楼梯踏步斜梁和平台梁直接与框架柱相连，就会使该柱变成短柱，地震时容易发生剪切破坏，应予避免或采取相关措施。,4.4 多道抗震防线 4.4.1 多道抗震防线的必要性,1、多道抗震防线的定义 一个抗震结构体系，应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作，即分体系
23、间的连接部件应有适当强度、较好延性和稳定的滞回性能。 框架抗震墙体系：由延性框架 和抗震墙两个系统组成； 双肢或多肢抗震墙体系：由若干 个单肢墙分系统组成； 框架体系：框架梁和框架柱；,4.4.1 多道抗震防线的必要性续,抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度（相当于超静定次数，利用塑性变形的前提），有意识地建立起一系列分布的屈服区（塑性铰区），以使结构能够吸收和耗散大量的地震能量，一旦破坏也易于修复。,带赘余杆件的耗能结构 (a)双肢墙；(b)墙和框架；(c)并列斜撑；(d)芯筒和框架柱,4.4.1 多道抗震防线的必要性续,2、多道抗震防线的必要性： 多道抗震防线对抗震结构是必要的。
24、强烈地震往往有一定的持续时间（几秒几十秒），并且往往伴随多次余震，结构在首次破坏后再遭余震，将会引起损伤累积，当第一道防线的抗侧力构件在强烈地震袭击下遭到破坏后，后备的第二道至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。 适当处理构件的强弱关系，将使其在强震作用下形成多道防线、是提高结构抗震性能、避免倒塌的有效措施。,4.4.2 第一道防线的构件选择原则,地震的往复水平作用使结构遭到严重破坏、但结构的 最后倒塌是因为结构丧失了承受竖向荷载的能力，即倒塌 主要取决于竖向荷载。因此， 1、应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或选用
25、轴压比值较小的抗震墙、实体筒体之类构件，作为第一道抗震防线的抗侧力构件；一般情况，不宜采用轴压比很大的框架柱兼作第一道防线的抗侧力构件。不会发生结构倒塌。 2、如因条件有限，只能采用单一的框架体系，框架就成为整个体系中唯一的抗侧力构件，此时应采用“强柱弱梁”型延性框架（即梁为第一道，柱为第二道）。,4.4.2 第一道防线的构件选择原则续,框架破坏机制 强柱型框架如下图左，在水平地震作用下，梁端首先出现塑性铰，梁的屈服先于柱的屈服，行成梁铰破坏机制。弱柱型框架如下图右，在水平地震作用下，柱端首先出现塑性铰，柱的屈服先于柱的屈服，行成柱铰破坏机制。,4.4.2 第一道防线的构件选择原则续,“强柱弱
26、梁”延性框架 由于梁只承受一层或局部重力荷载，柱承受其上多层的总重力荷载；钢筋端部锚固使梁具有悬索作用，只要钢筋端部锚固未失效，悬索作用能维持楼面不立即坍塌。 故在强烈地震作用下，结构发生较大侧移进入非弹性阶段时，为使框架保持足够的竖向承载能力而免于倒塌，要求实现梁铰破坏机制，即塑性铰应首先在梁上形成，尽可能避免在破坏后危害更大的柱上出现塑性铰，实现“强柱弱梁”延性框架的抗震设计，利用梁的变形、破坏来消耗地震能量。,4.4.3 利用赘余构件增多抗震防线,赘余构件的作用 利用结构中增设的赘余杆件的屈服和变形，来耗散输入的地震能量； 利用赘余杆件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另一
27、种稳定体系，实现结构周期的变化，避开地震动卓越周期长时间持续作用所引起的共振效应；对结构动力特性的适当控制，来减轻建筑物的破坏程度，经济。但要注意：太被动、而且不一定有效。,4.5 刚度、承载力和延性的匹配,基本概念 1、刚度 结构刚度是影响结构在设计地震作用下非结构构件性能、结构强度需求、以及弹塑性变形需求的一个关键设计参数。设计过程中的早期工作将是确定一个合理的刚度值，检查典型楼层的层间位移和合理的结构周期。 结构刚度的分布关系到结构的内力分配，某些部位刚度过大会导致该处的内力（或应力）集中。 参数K值、D值与EI、GA 、EA、L有关。 刚度大自振周期T小，结构地震剪力大。（反应谱） 刚
28、度小结构弹性变形大、超过弹性变形限值。,4.5 刚度、承载力和延性的匹配续,2、强度 结构的强度应该以设防目标相符。合适的强度应该能够避免结构在小震下产生破坏和在大震下出现超出结构变形能力的过大非线性变形。 在大地震下结构不存在强度的储备，设计者要作的是保证结构的强度分布均匀，即结构实际强度的分布与地震作用的分布相一致，否则就会出现薄弱层。 参数R：Mu、Vu、Nu。承载能力验算。 3、延性所谓延性，即结构、构件或材料承载能力无明显降低前提下（不低于其极限承载力的85%）结构发生非弹性变形的能力，即屈服后能够基本维持其屈服强度的非线性变形能力。延性是抗震设计中的一个无比重要的参数。 参数u/
29、y。弹塑性变形验算。,4.5 刚度、承载力和延性的匹配续,抗震设计中没有哪一个单一的设计参数可以控制不同部件抗震性能目标的要求。为了满足不同部件的性能目标，甚至会产生不同设计参数之间的冲突。如结构的强度需求（地震产生的惯性力）和器物的加速度反应主要受结构构件的刚度所影响，为了满足对应的性能要求往往希望结构具备较小的刚度，而为了控制非结构的破坏又往往希望有较大的刚度。 为满足某一性能水平下建筑中的不同部件（结构、非结构和器物）对不同设计控制 参数的需求，抗震设计往往是一个不断迭代、 相互妥协的过程，以寻找为满足不同性能水平下不同建筑部件的性能目标对强度、刚度、延性需求的合理统一。必要的承载能力和
30、良好的变形能力 的结合便使结构在地震作用下具有的耗能能力。,4.5.1 刚度与承载力,提高结构刚度： 优点可以减小结构侧移、减轻地震灾害损失； 缺点结构刚度大、自振周期小、地震反应大、要求较高水平抵抗力、提高工程造价、降低结构延性。 例如：短柱抗侧移刚度大，但是受剪承载能力较小、刚 度和强度不匹配经常造成严重的剪切破坏（斜裂缝）。 框架结构 抗侧移刚度小、结构侧移大，如果抗侧移刚度不足（小震 作用下层间 侧移角达到1/600以上、基本烈度下的层间侧 移角超过1/200时），P- 效应将使梁柱等杆件截面产生较 大的次弯矩，进一步加大杆件截面 的内力偏心距和局部压 应力，应在承载能力验算和构造措施
31、上充分考 虑。此外， 框架侧移很大时还可能发生附加侧移与P-效应相互促进 的恶性循环。,4.5.1 刚度与承载力续,框架-剪力墙结构 剪力墙的数量及厚度剪力墙数量多、厚度大，刚度 （GA）大、自振周期短、地震作用大；剪力墙数量小、 厚度小，刚度小、自振周期长、地震作用小。 设计根据建筑物重要性、建筑装修等级和设防烈度高 低所确定的结构侧移限值，来确定抗震墙的数量和厚度， 使建筑物具有尽可能长的自振周期纪最小的水平地震作用。通过试算确定。 剪力墙厚度厚度要适度，不能过厚，因为： 厚墙使建筑自振周期变短，水平地震作用增大； 很难使600mm后的RC剪力墙的延性达到一般结构所需要 的延性指标；而延性
32、较低的RC墙体，在地震作用下发生 剪切破坏的可能性以及斜裂缝的开展宽度均增大； 厚墙开裂后的刚度退化幅度增大，由此引起的框架剪力增 加值加大。,4.5.1 刚度与承载力续,剪力墙结构 在保证结构变形小于限值、墙体压曲稳定的前提下、应 尽量减薄纵、横墙体的厚度，或采用“主次结构”，加大 墙体的间距，减小墙体的数量，以降低结构抗侧移刚 度，减小墙体的水平地震剪力和弯矩。 应通过恰当的配筋，提高墙体抗主拉应力的强度。 对于层数较多的房屋，为防止墙体的水平施工缝在巨大 地震剪力作用下发生水平错动，可在房屋下部几层的水 平施工缝处配置一些斜向钢筋； 钢筋混凝土剪力墙的根部截面，当轴向压应力较小，而 剪应
33、力较大时，也应配置交叉斜筋，以提高其抗剪承载 能力，避免地震时出现剪切滑移。,4.5.2 刚度与延性,框架由线形杆件组成并以其杆件抗弯能力来抵抗侧力的构件，抗侧移刚度小，通过合理配筋，可以具有较好的延性； 墙体一种片状构件，靠平面内的抗剪、抗弯能力来抵 抗侧力，由于高宽比较小，抗侧移刚度较大，除弯曲变形外，剪切变形占有相当大的比重，因而延性较差。 竖向支撑虽然也是由线形杆件所组成，但由于属于轴力杆系，因而具有较大的抗侧移刚度，但由于其中的受压杆件容易发生侧向挠曲，延性较差。,4.5.2 刚度与延性续,由框架和墙体或由框架和支撑所组成的双重体系中，框架的刚度小，承担的地震力小，而弹性极限变形值和
34、延性系数却较大；墙体或竖向支撑刚度大，承担的地震力大， 而弹性变形值和延性系数却较小。 整个结构在往复地震动的持续作用下，墙体或竖向支撑很快就超过自身的较小弹性极限变形值，墙体出现裂缝， 支撑发生杆件屈曲，水平抗力逐步降低；而此刻的结构层 间侧移角还远小于框架的弹性极限变形值，框架尚未充分 发挥其自身的水平抗力，这种由于体系中各抗侧力构件的 刚度与延性不匹配，造成各构件不能同步协调的发挥水平抗力，出现先后破坏的各个击破情况。所以，协调抗侧力 体系中各构件的刚度与延性，使其相互匹配，是工程设计 中的一条重要设计原则。,4.5.3 结构不同部位的延性要求,1、结构的延性 结构延性含义 结构总体延性
35、：一般用结构的“顶点侧移比”或结构的 “平均层间侧移比”来表达； 结构楼层延性：以一个楼层的层间侧移比来表达； 构件延性：指整个结构中某一构件（一榀框架或一片墙体）的延性； 杆件延性：指一个构件中某一杆件（框架中的梁或柱，墙片中的连梁或墙肢）的延性。,4.5.3 结构不同部位的延性要求续,2、延性设计的原则 在结构抗震设计中，对结构中重要构件的延性要求， 高于对结构总体的延性要求；对构件中关键杆件或部的延性要求，又高于对整个构件的延性要求。 实际工程中比较经济有效的办法是，有选择地重点提高结构中的重要构件以及某些构件中关键杆件或关键部位的延性。其原则是： 在结构的竖向，应该重点提高楼房中可能出
36、现塑性变形集中的相对柔弱楼层的构件延性。 对于刚度沿高度均匀分布的简单体型建筑，应着重提高底层构件延性；,4.5.3 结构不同部位的延性要求续,对于大底盘的高层建筑，应该着重提高主楼与裙房顶面向衔接的楼层中构件的延性； 对于其他不规则立面高层建筑，应着重加强体型突变处楼层构件延性； 对于框托墙体系、框支墙体系，应着重提高底层或底部几层框架延性。 在平面位置上，应该着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处的构件延性。对于偏心结构，应加大房屋周边特别是 刚度较弱一端构件的延性。 对于具有多道抗震防线的抗侧力体系，应着重提高第一道防线中构件的延性。在框架-剪力墙体系中，应重点提高抗震
37、墙的延性；,4.5.3 结构不同部位的延性要求续,在筒中筒体系中，应重点提高实墙内筒的延性。 在框架-剪力墙体系中，应重点提高抗震墙的延性； 在筒中筒体系中，应重点提高实墙内筒的延性。 在同一构件中，应着重提高关键杆件的延性。 对于框架和框架筒体，应优先提高柱的延性； 对于联肢墙，应特别注意加大各层连梁的延性； 对于全墙体系中满布窗洞的外墙（壁式框架）、应着重加 强提高窗间墙的延性； 在同一杆件中，重点提高延性的部位应该是预期该构件地震时首先屈服的部位：例如梁的两端、柱的上、下端、抗震墙墙肢的根部等。,4.5.4 改善构件延性的途径,（1）控制构件的破坏形态：弯曲构件的延性远大于剪切构件的延性
38、，所以争取更多的构件实现弯曲破坏强剪弱弯设计原则；控制框架结构的破坏机制，使梁的弯曲破坏先于柱的弯曲破坏，称为：“强柱弱梁”设计原则。 （2）减小构件的轴压比（N/bchcfc） ：确定截面尺寸时应该控制轴压比，柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降；在高轴压比情况下，增加箍筋用量对提高柱延性比不再发挥作用。 （3）高强混凝土的应用：当高层建筑超过40层时，为了保证框架柱具有良好的延性，降低轴压比，宜采用高强混凝土。不过设计中应该注意，采用高强混凝土时，还应适当降低剪压比。,4.5.4 改善构件延性的途径续,（4）钢纤维混凝土的应用：钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入少量（体掺率为12）乱向短
39、钢纤维形成的一种复合材料。钢纤维混凝土具有较高的抗拉、抗裂和抗剪强度，良好的抗冲击韧性和抗地震延性。 （5）型钢混凝土的应用：型钢钢筋混凝土（SRC）结构是把型钢（S）置入钢筋混凝土（RC）中，使型钢、钢筋（纵筋和箍筋）、混凝土三种材料元件协同工作以抵抗各种外部作用效应的一种结构。SRC结构具有较大的强度、刚度、延性和抗震性能。,4.6 确保结构的整体性,地震作用下结构具有整体性作用是保证结构各部件在地震作用下协调工作的必要条件。 丧失整体性整个结构变成机动构架倒塌；由于外围构件平面外失稳而倒塌。 结构构件之间的连接，应符合下列要求： 构件节点的破坏不应先于其连接的构件，保证节点的强度和延性，
40、使节点的强度、连接、及锚固等强于构件； 预埋件的锚固破坏不应先于连接件； 装配式结构构件的连接，应能保证结构的整体性； 预应力砼构件的预应力钢筋，宜在节点核心区外锚固。,4.6 确保结构的整体性续,4.结构构件抗震要求 砌体结构应按规定设置RC圈梁和构造柱、芯柱，或采用配筋砌体； 混凝土结构构件应合理选择尺寸、配置纵向受力钢筋和箍 筋，避免剪切破坏先于弯曲破坏（强剪弱弯）、混凝土的 压溃先于钢筋的屈服、钢筋的锚固破坏先于构件破坏（强锚固）； 预应力混凝土的抗侧力构件，应配有足够非预应力钢筋； 钢结构构件应合理控制尺寸，避免局部失稳或整体失稳。,4.7 非结构部件处理,非结构部件：是指在结构分析
41、中不考虑承受重力荷载以及风、地震等侧力荷载的部件（如内隔墙、楼梯踏步板、框架填充墙、建筑外围墙板等）和建筑附属机电设备。在地震作用下，这些部件参与工作，可能改变整个结构或某些构件的刚度、承载力和传力路线，产生出乎预料的抗震效果，或者造成未曾估计到的局部震害，因此自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计。,4.7.1 填充墙的影响,1、对钢筋混凝土框架体系的房屋，砌体填充墙对结构抗震性能的影响： （l）使结构抗恻移刚度增大，自振周期减短，增大作用于整个建筑上的水平地震力，增加幅度可达3050。 （2）改变了结构的地震剪力分布状况。由于砌体填充墙参与抗震，分担了很大一部分水平地震剪力，反而使框架所
42、承担的楼层地震剪力减小。 （3）由于砌体填充墙具有较大的抗侧移刚度，限制了框架的变形，从而减小了整个结构的地震侧移幅值。 （4）相对于框架而言，砌体填充墙具有很大的初期刚度，建筑物遭受地震前几个较大加速度脉冲时，填充墙承担了大部分地震力，并用它自身的变形及墙面裂缝的出现和开展，消耗输入建筑物的地震能量。,4.7.1 填充墙的影响续,2、框架柱的剪切破坏 采用钢筋混凝土框架的建筑， 围护墙采用砖砌填充墙时，由于 每开间墙面上均开有较宽的窗洞， 剩余的窗间墙很窄，由于窗裙墙 对框架柱的刚性约束，减短了柱 的有效长度，使它变成了短柱， 承担的地震剪力大增，因而往往 发生剪切破坏。如图所示。 预防措施：采用贴砌围护墙方案或墙、柱柔性连接方案都是可行的途径之一。,4.7.2 外墙板的连接,在高层建筑中，预制钢筋混凝土墙板或加气混凝土墙 板与主体结构的连接，有刚性方案和柔性方案两种，应根 据以下3方面情况来确定： 结构抗震分析中是否要求外墙板参与受力； 结构抗侧移刚度的大小； 抗震设防烈度的高低。 在全墙体系的“内浇外挂”或装配式大板的钢筋混凝土高 层建筑中，外墙板与内墙之间一般采用刚性连接抗侧 移刚度大、层间侧移小、 外墙板的刚性方案在构造上能够 满足变形要求，连接可靠参与抗震是可行的。,本章结束！,
